孔板型内消能工水力特性试验研究及数值模拟

摘要

自从孔板泄洪洞这一新型的内消能工在中国黄河小浪底工程这样大型水利枢纽上使用,在国内外属于创举,故引起了规划、设计、科研等有关单位的关注,并进行了大量的研究工作,获得了宝贵的资料,但由于1＃孔板泄洪洞在原型事故闸门下闸试验过程中出现强烈振动,造成这一现象的原因何在?对建筑物结构是否造成威胁?因此,该文对孔板泄洪洞这一新型的消能工的水力特性从试验和数值模拟两个方面作了详细研究.概括起来,可以得到如下几点成果:1.首次对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进行了试验研究并建立了水气二相流瞬变流数学模型,并成功地对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进行了计算,所建立的水气二相流数学模型既适用于水气二相流,也适用于单相水流的计算.2.研究表明,事故门井卷吸空气,形成明满交替流是造成一系列不良水力现象的前提.库水位越低,事故门井开始卷吸空气的时间就越早,水气二相流所经历的时间就越长,出现振动等不良水力现象越剧烈,相反,库水位越高,虽然静水压强越大,但由于事故门井开始卷吸空气的时间越晚,水气二相流所经历的时间就越短,不良水力现象反而有所减弱.3.引进了大涡模拟方法,建立了孔板泄洪洞内消能工的二维和三维大涡模拟数学模型,并成功地对孔板泄洪洞各项水力参数进行了模拟计算.4.研究表明,三级孔板的总消能水头占总水头的40﹪左右,消能效果显著.脉动压强最大值出现在孔板下游0.5D位置附近,脉动压强的优势频率基本在2.0Hz以内,属于低频大幅值范畴.5.建立了空化初生的变密度数学模型,并对孔板初生空化进行了模拟计算,模拟结果与试验结果基本一致.结果显示,容易发生空化的部位主要有三处:一是孔板顶缘处,二是孔板下游角隅处,三是孔板下游回流旋涡中心部位.可以看出,空化主要位于水流内部,对建筑物结构不会造成大的危害.6.首次从涡量的角度出发,计算了孔板泄洪洞的拟熵分布情况,并分析了能量耗散情况,这比采用κ-ε双方程模型所计算的能量耗散率更直接,物理概念更明确.

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章绪论

1.1泄洪消能工综述

1.2内消能工研究的必要性和现状

1.3孔板洞内消能工研究的方法及现状

1.3.1研究方法

1.3.2研究现状

1.4本文研究的主要内容和方法

1.5本章小结

第二章孔板泄洪洞事故闸门动水下闸水力特性试验研究

2.1模型设计

2.2测试方法

2.3洞内流态

2.4事故闸门门井通风

2.5脉动压强

2.6本章小结

第三章孔板泄洪洞事故闸门动水下门瞬变流数值模拟

3.1概述

3.2液气两相流瞬变流数学模型

3.3特征线法

3.4沿第三条特征线dx/dt=u特征方程的求解

3.5边界条件

3.6结果分析

3.6.1孔板泄洪洞计算与试验结果比较

3.6.2取消孔板后泄洪洞水力特性预测

3.6.3泄洪洞有孔板与取消孔板之后的比较

第四章孔板泄洪洞空化特性和压力特性试验研究

4.1模型设计

4.2测试方法

4.3空化初生测试结果

4.4正常运行时压力特性试验结果

4.5本章小结

第五章大涡模拟理论基础

5.1大涡模拟原理

5.2弱可压缩流体基本理论

5.3大涡模拟控制方程

5.4大涡模拟控制方程的无量纲形式

5.5有限体积法

5.5.1基本方法

5.5.2有限体积法

5.6边界条件

第六章孔板泄洪洞二维数值模拟

6.1二维控制方程

6.2数值离散

6.3离散方程的求解

6.4计算结果分析

第七章孔板泄洪洞水力特性三维数值模拟

7.1三维控制方程

7.2控制方程的无量纲形式

7.3空化水流的变密度模型

7.4数值离散

7.4.2离散方程的建立

7.4.3无粘通量的计算

5.4.4粘性通量的计算

7.4.5雷诺粘性系数的计算

7.4.6源项的处理

7.5离散方程的求解

7.6计算结果分析

7.6.1计算域

7.6.2时均流速特性

7.6.3压力分布

7.6.4流线分布

7.6.5涡量分布

7.6.6能量耗散

7.7二维、三维计算结果比较

第八章结论

参考文献

作者在读期间科研成果简介

致谢